Inhalt der Vorlesung1) Einführung

Physik des Körpers2) Biomechanik3) Blutkreislauf4) Ohr5) Auge

Diagnostische Methoden6) Röntgendiagnostik7) Nukleardiagnostik8) Ultraschall9) MRI10) Bioelektrische Quellen

Therapeutische Methoden11) Ionisierende Strahlung12) Laser

10.1 Grundlagen

10.2 Ursprung bioelektrischerQuellen

10.3 Messung bioelektrischerSignale

10) Bioelektrische Quellen

10) Bioelektrische Quellen

Hierarchie der Strukturen

Glaser: Biophysics

139 mMol

4 mMol

145 mMol

12 mMol

1 µF / cm2

RuhemembranpotenzialUrsache:

Unterschiedliche Verteilungder Ionen im intra- undextrazellulärem Raum

- passiver Transportdurch Kanäle

(selektive Permeabilität)

- aktiver Transportdurch Ionenpumpen

Zelle Zelle

Depolarisation

Gleichgewichtspotential für Na+

Gleichgewichtspotential für K+

Membranschwelle

Herzmuskelzellen: Plateau (Ca++)

RefraktärphaseAbsolute Refraktärzeit: keine erneute Anregung möglichRelative Refraktärzeit: Anregung nur möglich bei erhöhter Schwelle

und mit reduzierter Amplitude

Membranschwelle

Ruhemembranpotential

Erregungsleitung

KontinuierlicheErregungsleitung

Nervenfaser

Erregungsleitung

SaltatorischeErregungsleitung

NervenzellenNervenzelle (Neuron): auf Erregungsweiterleitung spezialisierte ZelleNeurit (Axon, Nervenfaser): Depolarisation nur an Schnürringen möglichDendrit: rezeptive StrukturPerikaryon (Soma): Zellleib, Stoffwechselzentrum

Ursprung bioel. QuellenModellierung:

- Weiterleitung von Signalen auf Axonen: Strom-Quadrupol- Elektrische Vorgänge direkt hinter Synapsen: Strom-Dipol

An der Haut des Kopfes detektierbar: Signale von Stromdipolenin der Hirnrinde (Pyramidenzellen)

primärmotorisch

primärsensibel

primärvisuell

motorischesSprachzentrum

primärauditorisch

auditorischesAssoziationsgebiet

HirnstammKleinhirn

Hirnrin

de

SignalstärkenIm Allgemeinen heben sich Signale von Axonenbzw. Synapsen auf (Stochastische Verteilung)

Ausnahme: Pyramidenzellen des Gehirns

104 Nervenzellen in 1 mm3 der Hirnrinde

Gleichzeitiges “feuern”=> Messbare Signale

U ≈ 10 µVB ≈ 100 fT (!)

Vergleich Herz (Kapitel 3.4)

U ≈ 1 mVB ≈ 10 pT

Biomagnetische SignaleQuellen biomagnetischer Signale sind die im Körperinnerenentstehenden elektrischen Ströme.

Vorteile: - Fast keine Störung der biomagnetischen Signale zwischenEntstehungs- und Aufnahmeort an Körperoberfläche(berührungslose Aufnahme; µr ≈ 1 + O(10-6) )

- Keine räumlichen Verzerrungen im Körperinnern=> gute Lokalisation (Forschung!)

Nachteile: - Sehr kleine Magnetfelder 10-11 ... 10-13 T- Sehr sensitive Sensoren benötigt (SQUIDS)- Sorgfältige Abschirmung notwendig (Gradiometer)

Erdmagnetfeld: B ≈ 5 * 10-5 TStröme in Netzkabeln: B ≈ 10-7 TMagnetische Verunreinigungen der Lunge: B ≈ 10-9 T

QuellenmodelleGesamte Stromdichte:

Eingeprägte Stromdichte(bioelektrische Ströme)

Rückstrom im Volumenleiter

Potential = Überlagerung aus vielen Stromdipolen

ÜbersichtAn Körperoberfläche abgeleitete Signale = ∑ elektrische Aktivität des

gesamten Nerven-, Muskel-und sensorischen Systems

=> “Selektion” durch Ortswahl der Elektrodenanordnung

- EKG: Elektrokardiogramm (Kapitel 3.4)- EEG: Elektroenzephalogramm- EMG: Elektromyogramm (Bild der Muskelerregung;

Sportmedizin; U ≈ 100 µV)- ERG: Elektroretinogramm (Sichtbarmachung der Lichtreizung;

Info in Amplitude & Latenzzeiten)- EOG: Elektrookulogramm (Aufschluß über Augenstellung;

motorische Einflüsse diagnostizierbar)

- Elektroolfaktogramm (Reizung des Geruchssinns)- Elektrogastrogramm (Aufzeichnung Aktivität Magenmuskulatur)- Elektrohysterogramm (Aufz. Aktivität Uterusmuskulatur)- Elektrodermatogramm (Aufz. elektr. Potentialvert. auf der Haut)- Elektroneurogramm (Aufz. von intrazellulären elektr. Potentialen)

EEG (MEG): Entstehung

Aktivierung

Potential-änderungen;Gradienten Ionenströme

Extrazellulär => Feldpotentiale (EEG)Intrazellulär => Magnetfelder (MEG)

Ruhe

EEG (MEG): PotentialeIn

traz

ellu

läre

Abl

eitu

ngE

xtrazelluläreA

bleitung

Afferente Faser => Dendrit => EEG

EEG: Ableitung

InternationaleBezeichnungender Elektroden

Ableitungsschema:

EEG: Frequenzbänderα: EEG Grundrhytmus in Ruhe (Augen zu)β: Auftreten bei Sinnesreizen;

emotionale Erregungγ: Schlaf bei Erwachsenenδ: Tiefschlaf

Erlöschen der EEG-Tätigkeitbeim Sterben:

Evozierte PotentialeBisher: “spontanes EEG” ohne sensorische Reizung

Reizung eines Sinneskanals => Zusätzliche EEG-Wellen“Evozierte Potentiale”

- In der Regel wesentlich geringere Amplitude (10 µV)E.P. mit Reizung korreliert

=> Mittelung (N ≈ 1000)

- Somatosensorisch E.P.: Reizung eines peripheren Nervs- Akustisch E.P.: Aktivierung des auditorischen Systems- Visuell E.P.: Stimulierung des visuellen Systems

- Diagnostik: Amplituden(änderungen) & Laufzeiten

MS: erste Symptome Verlängerung der Latenzen von VEPAnästhesietiefe: AEP werden am spätesten abgeschaltet

EKG: Vektorkardiographie

Integralvektor = ∑ Zelldipolekreist mathem. positiv in Frontalebene

Projektionen des Integralvektors aufVerbindungslinien zwischen Ableitungs-punkten => “Normales” EKG

Elektrische Welle am HerzenHerzrhythmusstörungen

http://www.psc.edu/science/2003/fenton/hearts_gone_wild.html

Simulation

Lead fieldsAlle aktiven Stromdipole liefern einen Beitrag zum SignalBeitrag eines Dipols zu Signal eines spezifischen Elektrodenpaars:

Definiert über: “Lead fields”

Lead fields wurden für verschiedene Elektrodenanordnungen bestimmt:KugelförmigesKopfmodell

Haut

Knochen

Gehirn

Das inverse Problem“Vorwärts-Problem”: Stromdipolverteilung gegeben,

Potenziale (Magnetfelder) gesucht.

“Inverses Problem”: Aus gemessenen Potenzialen aufStromdipolverteilung zu schließen.

- Problem ist Unterbestimmt:

# Unbekannte > # Meßgrößen

- Problem ist “schlecht gestellt”:

Kleine Meßfehler => große Rekonstruktionsfehler

Viele Lösungen passen zu Messungen (Mehrdeutigkeit)

Grund: “stille Quellen”

Lösungsansätze- Modellierung oft durch 1 Stromdipol (z.B. Herzvektor)

Rekonstruktion: Ort & Richtung gesuchtVorwärts-Rechnungen und Anpassung an Meßdaten

Erweiterungen: >1 Dipol möglich (physiologischer Grund?)Dynamische Beobachtungen

gesamte leadfield Matrix

Meßwerte an1 Elektrodenpaar

N Dipole anOrten r-rN

- Messung an vorher festgelegten Punkten (EEG)

Rekonstruktion der Ströme (Betrag & Richtung) an diesen Punkten

Nachteil: sinnvolle Meßpunkte benötigtVorteil: Rekonstruktion einfach

DetektorenElektrische Strom- oder Spannungssignale:

Auf die Haut aufgesetzte ElektrodenEingestochene Elektroden

Möglichst großflächig (Kontaktwiderstand ≤ 100 Ω)

Biomagnetische Signale:

Berührungslos

Sehr kleine Signale => Abschirmung gegenüber “Rauschen”Elektronische FilterungSehr empfindliche Meßmethode

SQUIDS

SupraleiterEmpfindlichste Methode zum Nachweis von Magnetfeldern:

Josephson-Effekt(Tunneleffekt durch dielektrische Barriere zwischen 2 SL)

SL: - DC-Widerstand = 0- Perfekte Diamagnete χ = - 1/µ0 (Meissner-Ochsenfeld-Effekt)

Typ I SL: BcTyp II SL: Bc1 , Bc2

- Energielücke (Größenordnung 1 meV) um EF- Kritische Temperatur Tc für supraleitende Eigenschaften- Isotopeneffekt Tc ~ M0,5 (Ionengitter!)- Flußquantisierung

BCS-Theorie: Attraktive WW zwischen 2 Elektronen (Cooper-Paare)über Gitterdeformation (S1 = - S2 ; p1 = - p2)

Josephson Effekt

Ansatz:

TunnelstromStrom durch die Tunnelbarriere:

Phasendifferenz:

Gleichspannung erzeugt oszillierenden Suprastrom

SQUIDDC-SQUID: 2 parallel geschaltete

Josephson-Kontakte

Magnetfeld => Phasenfaktor

Strom durch beide Josephson-Kontakte: